為了打好一一五師出征後第一仗，林彪、聶榮臻召開了幹部會。林彪命令獨立團和騎兵營插到靈丘與淶源之間、靈丘與廣靈之間，切斷敵人交通線，阻止敵人增援；命令三四三旅的二個團為主攻，三四四旅一個團到平型關北面斷敵退路，一個團作師部預備隊。全部攻擊部隊埋伏於平型關東側山地。當夜，一一五師主力趕往距平型關十五公里的冉莊待命。
24日，東面靈丘方向傳來斷斷續續的槍聲。前沿部隊報告，敵人有可能翌日大舉進攻。傍晚時分，林彪打電報給各旅首長，下達了出擊命令：
三四三旅本日晚0點出發進入百崖台一線埋伏陣地，三四四旅隨後開進。
百崖台一線，距預計敵人要經過的汽車路僅一兩公里。當夜，大雨陡降，風聲、雨聲、腳步聲交合在一起，戰士們既無雨衣，又無御寒衣物，單衣單褲，渾身透濕，沿著崎嶇的山道艱難地前進。
暴雨導致山洪暴發。陡然漲起的溪水瘋狂地衝撞著溝谷峽底，發出轟轟的巨響。戰士們只得把槍和子彈掛在脖子上，手拉手結成一道人牆，或者拽著騾馬的尾巴從激流中淌過去。三四三旅搶在山洪暴發前過去了，徐海東帶領的三四四旅被山洪阻擋，只過去了一個團，另一個團的部分戰士急著過去，結果被越來越兇猛的洪水裹挾而去。
「洪水太急，強渡可能會造成不必要的犧牲。讓剩下的部隊作為預備隊，緩行待進吧。」林彪同意了聶榮臻的意見。
天亮前，一一五師終於到達指定陣地。按照作戰計劃，一一五師大部分兵力隱蔽於東南山地，同時派一支部隊穿過溝底通道，佔領河南鎮以北的一處高地，造成居高臨下、兩面夾擊之勢。林彪將師指揮所設在溝道東南的一個山頭上，在那裡，通過望遠鏡，可以鳥瞰戰場全景。
清晨，大雨初歇，群山一片寂靜，幾株孤零零的小樹在秋風中冷得發抖。7時左右，溝道上傳來隱隱約約的馬達聲。不一會兒，一百多輛汽車隆隆地開進溝道，汽車後又是二百多輛大車，再後面是馱著炮彈的騾馬和騎兵。總共四千多名日軍士兵在太陽旗的引導下，大搖大擺地走進了林彪布下的口袋。
這時，伏擊部隊的報告不斷傳進師指揮所。當日軍已全部進入一一五師的埋伏圈後，林彪立即下令：
「攻擊開始!」
隨著林彪一聲令下，頓時，機槍、步槍一齊開火，槍炮聲響徹山谷。八路軍的突然發起攻擊，使日軍措手不及，指揮系統一時失去指揮，只得倉促應戰。
板垣二十一旅團畢竟是一支有豐富戰鬥經驗的部隊。他們很快從懵懂中清醒過來，瘋狂地進行反撲。日軍官佐舉著軍刀拚命地嗥叫，試圖組織反衝鋒搶佔高地。雙方展開了血戰，白刃對刺，刀光血影，不斷有人倒下。他們用拳頭，用牙齒，用石頭，拚命想消滅對方，直到力盡命殞。
殘酷的戰鬥一直持續到當日正午。日軍終於抵禦不住從未遇過的八路軍的猛烈攻擊，棄下一千多具屍體，落荒而逃。
平型關戰鬥，八路軍一一五師殲敵板垣師團第二十一旅團一千餘人，炸毀日軍汽車一百餘輛，大車二百多輛，繳獲炮彈二千多發，機槍二十餘挺，戰馬五十多匹，步槍千餘支，其他輜重物資不計其數，取得了抗戰以來第一次對日作戰的輝煌勝利。一一五師的勝利，打破了日軍「不可戰勝」的神話。
平型關大戰獲得重大勝利的消息，很快傳遍全國各地。各黨派、各階層發來的賀電、賀信如同雪片一般飛來，以「抗戰領袖」自居的蔣介石也致電表示慶賀。
一夜之間，林彪的名字家喻戶曉。「抗日英豪」、「民族英雄」、「無敵元帥」、「常勝將軍」等等桂冠擠滿了全國各大報刊的頭版頭條。特別是當人們得悉這位英雄的八路軍師長尚未婚娶時，多少年輕美貌的少女把這位濃眉毛的師長的形象埋在心裡，編織出無限美妙的春夢。
「鞭敲金鎧響，人唱凱歌還。」當林彪率部來到五台縣時，萬人空巷，盛況空前，全城人聚集城外，爭相一睹抗日將士的丰采。佛教聖地之一的五台山上的僧人們也身披袈裟，手執長笛短簫，奏起了歡迎的梵樂。
1937年10月26日，正太鐵路要隘娘子關失守，山西的抗戰形勢急轉直下。至此，在華北地區以國民黨為主體的正規戰爭和正面戰場宣告消失，以八路軍為主體的抗日游擊戰爭階段宣告開始。黨中央決定劃華北為四大戰略區，即以一二○師開闢晉西北，一二九師開闢晉東南，一一五師分兵開闢晉西和晉東北地區。
按照中央指示，一一五師從馳援娘子關時即開始分兵，主力由林彪帶領由晉東南轉往
晉西呂梁山，餘部由聶榮臻率領開闢以五台山為中心的晉東北地區。
「分兵」的工作很簡單，主要是確定誰跟主力轉移新區，誰留下來。作為一師之長，林彪不願主持「分家」。分多了怕人家(聶榮臻)有意見，分少了自己又吃虧，他採取迴避的方法，推薦政治部主任羅榮恆來主持這項工作。對此，聶榮臻也表示同意。他對羅榮桓說道：
「你來分好，你公平。司令部、政治部、供給部、衛生部幾個部門都由你決定。哪些人走，哪些人留，你有決定權，我不爭一個人。」
羅榮桓確實做到了公平如秤。他親自挑選一批人留下來。人數雖不多，但很得力，聶榮臻很滿意。
斗換星移，春秋更序。一晃到了1938年的3月。這時，林彪已率部到達呂梁山和太岳山脈，經過一年的努力，開闢了晉西南抗日根據地。
當時，在一一五師的側翼，是國民黨閻錫山的部隊。國共雙方協同抵禦著日軍瘋狂的「掃蕩」。
晉南山區的春天，早晚多霧，雲煙氤氳，漫山遍野，五步之外，不辨東西。當地流傳著這樣一首民謠：
呂梁春多霧，
聞聲不辨物。
只聽耳邊響，
不見眼前過。
3月2日清晨，突然降了一場大霧。迷霧把大地籠罩著，一切都是朦朦朧朧的。林彪不聽警衛員的勸說，獨自一人到住地村外去遛馬。
林彪做夢也沒想到，他這一遛，竟身中冷槍，負了重傷，留下終生遺憾。
林彪戎馬一生幾十年，雖然經歷過無數次危險，但受傷卻只有這一次。這次負傷嚴重損壞了林彪的身體健康，對他那雄心勃勃的政治生涯不啻是一次沉重的打擊。
平型關大捷後，一一五師從板垣師團丟棄的大量輜重中得到補充，發了「洋財」，團以上所有幹部都得到了一件黃呢子軍大衣，林彪也不例外。林彪還挑了一匹丰神健骨的駿馬。這匹馬是關外良種，名喚「千里雪」，週身沒有一根雜毛，一眼望去，就像一道白色的閃電，發光耀眼。林彪有了這匹馬，便慢慢養成了遛馬的習慣。
這天，林彪一出村，便策馬奔馳。「千里雪」飛踏騰空，闖村過店，清脆的馬蹄聲沿山區小道一路響起，不知不覺的，林彪已進入了閻錫山部隊的防區。
閻錫山的部隊緊鄰一一五師。由於正和日本人打仗，他們在防區邊緣佈置了警戒線，放了流動哨。防區外的蹄聲和馬嘶引起了士兵的注意。帶隊的一個班長從濃霧中看見一個軍官模樣的人身穿黃呢大衣，騎著一匹洋種馬，正朝這邊飛馳而來。他認定這是日軍軍官無疑，下令開槍。
槍聲過後，林彪和馬仆倒在地上。子彈從他的前胸打入，洞穿了右肺葉。等大驚失色的閻軍士兵把林彪認出來時，他已由於失血過多，昏死過去。
聞訊趕來的警衛員趕緊把林彪抬回一一五師師部，進行急救。閻錫山聽到消息，大為驚訝，親自帶著醫官前來為林彪會診。經過緊張的搶救，出血是止住了，但是彈頭還留在體內。戰時醫療條件太差，開刀取彈頭的危險性很大，弄不好會造成重大醫療事故，更何況林彪是大名鼎鼎的傳奇式人物，誰也不敢動這個手術。
幾天以後，林彪才清醒過來。望著病床前一雙雙憂慮、誠摯的眼睛，他露出一絲苦笑，說：「沒想到陰溝裡翻了船。」這句湖北土話的確代表了林彪當時的心情。
傷，雖然細想起來十分窩囊，但林彪這次卻表現出了一個儒將所顯露出來的寬宏大量和坦蕩之心。他沒有同意閻錫山提出的槍斃肇事者的意見，寬恕了那個闖禍的班長和士兵，這使那位班長和他的士兵感動得涕淚交加。中共中央和八路軍總部得知林彪負傷的消息後打來了慰問電。毛澤東還特地派有「醫林聖手，軍中名醫」之稱的傅連來為林彪治療。
傅連，福建長汀人，原來是個虔誠的天主教徒。1927年在長汀任福音院院長時曾盡力搶救過八一起義部隊的傷病員，1933年參加紅軍後，歷任中央紅軍醫院院長、陝甘寧邊區醫院院長。傅連醫術高明，為人厚道，深得中央領導同志的器重。同樣，派傅連來晉西，也說明了毛澤東對林彪的器重。
在傅連的精心治療下，林彪的傷情得到控制，傷口也漸漸癒合了。但是，由於子彈擦傷了中樞神經，彈頭殘留體內，每逢天陰雨雪，傷口發炎，林彪還是疼痛難忍，在床上滾來滾去。
1938年春，鑒於林彪身體日益虛弱，傷口惡化，八路軍總部決定派人護送林彪到延安休養。
早春三月，桃苞綻放，柳枝爬綠。青青的嫩草，婀娜嬌柔；玲瓏的翠鳥，啼啾悅耳。延安城外一望無際的原野上又響起了粗獷激越的信天游。
帶傷的勇士比健還的英雄更惹人愛憐，這是古今通例。毛澤東為載譽歸來的林彪舉行了盛大的歡迎會，勸慰他寬心養病。二十里堡，昔日一座偏僻寧靜的小山村，由於林彪的到來而喧鬧非凡。每天都有抗日團體或軍政要人前來探望致意。其中最有特色的一次是衛立煌探病。
1938年4月，國民黨第二戰區司令長官兼前敵總指揮衛立煌順道訪問延安，專程前往二十里堡慰問林彪。行至半途，他突然下車，對部下說，「快搜搜荷包，看有沒有錢?我今天忘記準備犒金了。」原來國民黨軍隊素有犒賞和送禮的風氣，按當時不成文的規定，一個師長受傷，禮金通常要高至數千元。眾隨從把口袋搜遍，也只六百元錢。
「這怎麼行?太少了，太少了，」衛立煌急得直搓手，「事後再送，行不行?這失不失禮？」
衛立煌的秘書說，「好像沒有事後再送錢的規矩，這顯得誠意不夠，不如看望林彪時探詢他需要什麼。」
「好主意。」衛立煌上車，趕到二十里堡，熱情地與林彪交談，問他是否能幫上忙。
「幫忙?」林彪搖搖頭，表示感謝。
「譬如藥品，食物，衣服……」，衛立煌專揀邊區緊缺的物資說。
「我本身沒有什麼需要，一切都很齊備。」
「那部隊有什麼困難呢?」衛立煌不送點東西不甘心。
「部隊缺彈藥。」林彪直盯著衛立煌。
「一言為定，我就送彈藥。」
第二天，衛立煌抵達西安，下令撥給八路軍步槍子彈一百萬發，手榴彈二十五萬枚和牛肉罐頭一百八十箱。當時的國民黨後勤部副部長盧佐認為數目太大，怕蔣介石不批准，提出應仔細考慮。衛立煌聞悉後，親自打電話與盧佐洽商獲得批准。後來第二戰區前敵指揮部後勤司令杲海瀾也因數目龐大，不敢執行。衛立煌又打招呼，說，「我是前敵總指揮，對於抗日有功的軍隊，都要一視同仁。照單撥出，出了問題，我衛立煌負責。」
三十天後，當十餘輛軍車把子彈、罐頭送到二十里堡時，林彪蒼白的臉上露出激動的紅暈，他連連說，「禮重了，禮重了。」